uredi› krajšaj› T:928 M:1232 Z:11 [×]

Satelitski internet ali navigacija?

Starlinkove signale je mogoče poustvariti s povratnim inženiringom in jih uporabiti za GPS, naj je to SpaceX všeč ali ne

Mark Harris, MIT Technology Review

Ponudba Todda Humphreysa laboratoriju SpaceX je bila preprosta. Z nekaj programskimi zvijačami bi njegova hitro rastoča satelitska mreža Starlink lahko ponujala tudi natančen položaj, navigacijo in uro. Ameriška vojska, ki financira Humphreysovo delo na teksaški univerzi v Austinu, je želela rezervno možnost za svoj stari in ranljivi sistem globalnega določanja položaja. Bi to vlogo lahko prevzel Starlink?

Ko so leta 2020 prvič predstavili to zamisel, so bili odgovorni v SpaceX odprti za predlog, trdi Humphreys. Nato je prišlo mnenje s samega vrha. »Elon je šefom, s katerimi smo govorili, pojasnil, da so vse druge komunikacijske mreže v nizki Zemljini orbiti propadle,« je Humphreys povedal za MIT Technology Review. »SpaceX se mora zato povsem osredotočiti na to, da se izogne bankrotu, in si ne more privoščiti motenj.«

A Humphreys se ni sprijaznil z zavrnitvijo. Zadnji dve leti je njegova ekipa v radionavigacijskem laboratoriju na univerzi v Austinu s povratnim inženiringom razčlenjevala signale, ki jih oddaja na tisoče Starlinkovih internetnih satelitov v nizki Zemljini orbiti in jih prestrezajo sprejemniki na tleh. Humphreys zdaj trdi, da je njegova ekipa našla rešitev, in je prepričan, da bi redni oddajniški signali iz mreže, prek katerih se sprejemniki laže povežejo s sateliti, lahko služili kot osnova za uporaben navigacijski sistem. Ključno pri tem je, da bi to lahko dosegli povsem brez pomoči SpaceX.

V nerevidirani razpravi, objavljeni v javno dostopnem arhivu z znanstvenimi članki arXiv, Humphreys trdi, da je izdelal najbolj popolno karakterizacijo Starlinkovih signalov doslej. Ta podatek, pravi, je prvi korak pri razvoju nove globalne navigacijske tehnologije, ki bi delovala neodvisno od sistema GPS oziroma njegovih evropskih, ruskih in kitajskih ustreznic.

»Starlinkov signal je skrbno varovana skrivnost,« je povedal Humphreys. »Celo med našimi prvimi razpravami, ko je bil SpaceX še odprt za sodelovanje, nam niso razkrili niti ene strukture signala. Začeti smo morali na začetku in pravzaprav sestaviti majhen radijski teleskop, da smo prisluškovali njihovim signalom.«

Univerza v Austinu je za zagon projekta nabavila Starlinkov terminal in z njim predvajala visokoločljivostne teniške posnetke Rafaela Nadala, ki jih je našla na Youtubu. Tako je bilo poskrbljeno za stalen vir Starlinkovih signalov, ki jih je lahko zaznavala posebna bližnja antena.

Humphreysu se je kmalu posvetilu, da se Starlink opira na tehnologijo, imenovano ortogonalno multipleksiranje s frekvenčno delitvijo. To je učinkovita metoda za šifriranje digitalnih prenosov, ki so jo izvorno razvili v Bell Labs v 60. letih in jo zdaj uporabljajo za brezžična omrežja ter omrežje pete generacije. »Multipleksiranje je zelo priljubljeno,« se strinja Mark Psiaki, strokovnjak za GPS in profesor vesoljske tehnike na virginijski tehnični fakulteti. »To je najboljši način, kako stlačiti največ bitov na sekundo v določeno pasovno širino.«

Raziskovalci na univerzi v Austinu niso poskušali razvozlati Starlinkovega šifriranja ali dostopati to podatkov o uporabnikih, ki prihajajo s satelitov, temveč so iskali sinhronizacijska zaporedja – predvidljive, ponavljajoče se signale, ki jih oddajajo sateliti v orbiti, da sprejemnikom pomagajo pri usklajevanju z njimi. Humphreys ni našel le takšnih zaporedij, temveč je prijetno presenečen odkril tudi, da imajo več sinhronizacijskih zaporedij, kot je nujno potrebno.

Vsako zaporedje vključuje tudi podatke o oddaljenosti in hitrosti satelita. Ker Starlinkovi sateliti oddajajo približno štiri zaporedja na milisekundo, je to preprosto idealno za dvojno uporabo njihovega sistema za določanje položaja, je navdušen Humphreys.

Če sprejemnik na Zemlji lahko izdela dobro predstavo o gibanju satelita – kar SpaceX deli na spletu, da bi zmanjšal tveganje za trke v orbiti –, regularnost zaporedij lahko izkoristi, da ugotovi, s katerega satelita so prišla, in nato preračuna razdaljo do njega. S ponavljanjem tega postopka za več satelitov sprejemnik lahko določili svoj položaj na približno 30 metrov, je razložil Humphreys.

Če bi se SpaceX pozneje odločil za sodelovanje in vključil dodatne podatke o natančnem položaju satelita, bi se ta natančnost teoretično lahko izboljšala na manj kot meter, s čimer bi sistem postal konkurenčen GPS. SpaceX se ni odzval na prošnjo po komentarju.

Tudi drugi raziskovalci počnejo nekaj podobnega. Zak Kassas je predavatelj na oddelku za električni in računalniški inženiring na državni univerzi Ohio in direktor centra ameriškega prometnega ministrstva, ki se ukvarja z zanesljivostjo navigacije. Njegova ekipa je lani kot prva prikazala, da bi Starlinkove signale lahko uporabljali za določanje položaja, delno s strojnim učenjem.

Kassasov pristop, ki ga opisuje kot kognitivno oportunistično navigacijo, razčleni obdobje in spreminjanje frekvence signalov s satelita, medtem ko ta kroži okrog planeta. Sprejemnik uporablja tudi sinhronizacijska zaporedja, spoznava satelitovo orbito in ji sledi. Ko satelit večkrat prečka sprejemnik, ta nazadnje lahko izračuna tudi svoj položaj. Na nedavni konferenci je Kassas trdil, da je njegov sistem s Starlinkom dosegel natančnost manj kot deset metrov. »Ta princip je tako splošen, da bi ga lahko uporabili za vse zemeljske in zunajzemeljske signale,« je prepričan. »Uči se sproti, med delom, razbere, kaj se prenaša, in določi vaš položaj.«

Še podrobnejše umevanje Starlinkovih signalov pa prinaša načine uporabe, ki presegajo navigacijo. Starlinkovi sateliti trenutno očitno ne uporabljajo dveh kanalov od osmih, za katere je SpaceX pridobil licence. Humphreys ugiba, da se razlog najbrž skriva v Musku, ki bi se rad izognil motenju radijskih teleskopov, delujočih na sosednjih frekvencah. Svetle sledi krožečih Starlinkovih satelitov so namreč že obdolžili, da povzročajo motnje pri opazovanjih v vidni svetlobi.

Ugotovitve univerze v Austinu osvetljujejo tudi možnost namerne interference s samim Starlinkom. Humphreys poudarja, da so sinhronizacijska zaporedja resda obetavna za navigacijo, vendar so varnostno ranljiva, ker so popolnoma predvidljiva in jih uporabljajo v celotni mreži satelitov. »Humphreys je storil res veliko za navigacijo, ker je prepoznal ta zaporedja,« priznava Psiaki. »A navigacijski sistem, ki temelji na odprtokodnih zaporedjih, bi lahko zmanipulirali, saj bi vsi vedeli, kako prepoznati te signale in ustvariti lažne.«

Kot poročajo, je Starlink utrpel katastrofalno izgubo komunikacijskih poti konec septembra v Ukrajini, kjer ta satelitski sistem veliko uporabljajo za glasovno in elektronsko komunikacijo, za krmiljenje trotov in celo za popravke topniških ciljev. Čeprav ni jasno, ali je do izpada prišlo, ker naj bi ruske sile namerno povzročale elektronske motnje, je Musk na Twitterju napisal: »Rusija dejavno poskuša uničiti Starlink. SpaceX ga bo zato zavaroval z ogromnimi vlaganji v njegovo obrambo.«

Starlink je nedvomno rešilna bilka za Ukrajino, a ob poročilih o izpadih in vztrajni zmedi okrog tega, kdo bo plačal njegove storitve, se postavljajo vprašanje o njegovi prihodnosti.

»Sčasoma in zaradi vse večje odvisnosti od Starlinka bodo Ukrajina in njeni zavezniki na Zahodu spoznali, da nimajo nadzora nad Starlinkom in da o njem vedo zelo malo,« je pojasnil Humphreys. »A zdaj je v interesu veliko milijonov ljudi, da se poskrbi za Starlinkovo varnost, vključno s preprečevanjem namernih elektronskih motenj. Ocena varnosti se začne z dobrim razumevanjem strukture signala.«

Copyright Technology Review, distribucija Tribune Content Agency.